一、问题的提出
我们生活的地球被大气层包裹着，或者可以说，由于地心引力的作用，使大量气体聚集在地球周围。到底有多厚，没有一个确切数据。探空火箭在距地面3000km甚至更高处仍发现有稀薄空气，大气层的外边界有可能达到6400km或更高。但目前较为公认的厚度大约为1000km。
随着对大气层认识的加深，科学界把大气层从地表向上依次分为（如上图所示）：对流层（0~18km）、平流层（18~48km）、中间层（48~90km）、热层（90~350km）和散逸层（350~1000km），可概略认作20、50、100、350km为四条分界线。
不论怎样划分，在科学意义上，这些空间都属于空气空间（Air space）；在有无空气存在这个尺度上，空气空间就是大气层；反过来，大气层就是空气空间。在空气空间之外的空间，则为外层空间（Outer space），也简称为外空或太空。
二、悄然的发生
自1903年莱特兄弟的“飞行者1号”开创现代航空纪元以来，随着科学技术的进步，人类使用和投放飞行器的高度一再突破，对“空间”的认识不断丰富，也在悄然间发生了一些变化。
标志性事件是1957年第一颗人造地球卫星升空，人类的活动跃入一个新空间高度，随后产生了一个生于航空、但与航空又有所不同的航天事业。国际航空航天界对于航空、航天的分界问题，形成几种不同意见。
主张将距地面35871km、即地球同步卫星轨道高度作为空天分界。
主张以通常认为的大气层外围高度1000km作为空天分界。
主张以其时航空器达到的实际飞行最大高度32~40km为空天分界。
而后来的情况是，经由一个名叫安德鲁·G·哈雷的委员向国际航空联合会（FAI）提出建议，用航空航天科学家、钱学森的老师西奥多·冯·卡门计算得出的空气动力学失效、而航天学开始发挥作用的那个最低高度（约为100km）作为外太空与地球大气层的界线。这条线也被称为“卡门线”。此建议被FAI认可，由此卡门线便成为被广泛接受的空天分界线。
我没能查到冯·卡门进行这一计算和安德鲁·哈雷提出这一建议的具体场景与时间。但FAI接受这一建议应是事实。在冯·卡门的自传里，有这样一段话，形象、可信地解释了卡门线的计算思路以及被推荐、被采纳的过程：
“至于太空，我们应该定为多高呢？......其实，根据太空飞行器的飞行速度和飞行高度就能够确定太空的起始位置。例如，拿伊凡·金契罗上尉驾驶的X-2型火箭飞机的飞行记录来说吧，金契罗的飞行速度为每小时3,200千米，高度为38,000米（注：1956年9月7日，美国贝尔公司试飞员金契罗驾驶X-2到达38466米高度）。在这个高度，飞行速度产生的空气动力升力承载98%的飞机重量；而航天学家称为开普勒力的离心力只承载了2%的飞机重量。但是到了90,000米高度，由于不再有什么空气产生升力，上述关系就颠倒过来，只有离心力支承飞机的重量了。这个高度当然就是物理学上的边界了。在边界以上，空气动力学就无效，航天学开始发挥作用。因此，我认为完全可以把这个高度定为法定分界线。承蒙安德鲁·哈雷的好意，把这个边界称为法定的卡门分界线。分界线以下的空间属于每一个国家；分界线以上为自由空间。”
其实，冯·卡门的计算结果并非恰为100km，他所以建议将此高度指定为外太空与地球大气层的界线，一是因为整十的数字更方便使用，二是计算式中的一些参数会因时因地发生微小变化，计算结果也并非恒定不变。
于是，首先是FAI采纳了这一意见，后来在世界宇航联合会（IAF）1981年召开的第32届大会上，也认同了这一界线。迄今，虽然这一约定并未被正式写进任何一部相应的法规里，但在事实上，已经成为世界航空航天界基本接受的主张，即从地表向上100km高度为航空、航天的分界线。
这个悄然发生的变化意味着，空气空间对等于大气层的科学概念被置换了，变为事实上只对应大气层的一部分，即覆盖对流层、平流层和中间层这三部分；而外层空间则向下延伸到了大气层的“中间层”层顶。进而，人们把在空气空间内的飞行活动定义为航空，外层空间的飞行活动定义为航天；并按照冯·卡门的说法，分界线以下的空间属于每一个国家；分界线以上为自由空间。
三、两种方法论
在辨识飞行器属性和划定高度范围时，有两种方法论。一种是空间论（方法）（Spacialist approach），另一种是功能论（方法）（Functionalist approach）。前者依据不同高度的空间的特性来划分，后一种以飞行器达到的能力与水平来划分。
与空间论相关的认识如下：在平流层顶端的50km高度，仍有一定密度的空气存在，约为10-2标准大气压量级；仍可获得空气静力或动力带来的升力，以托举轻于空气或重于空气的航空器。中间层的大气密度虽继续急剧变小，从低端的10-2标准大气压量级降低到顶端的10-6量级，呈现有别于对流层和平流层的明显不同的特性，但借助高速空气动力学、动力组合、火箭动力以及防热结构、高效气动等工程技术，可实现在该高度范围的跨域自由飞行。
与功能论相关的事实与认知有：上世纪60年代飞机的载人飞行高度曾一再突破50km，最高达到108km（可参阅我的第505篇微文）。而目前在对流层以上空气空间研发的热点集中在平流层飞艇、浮空气球、高空长航时无人机、火箭动力与组合动力飞机上，这些全部是航空器。
四、浅析卡门线
冯·卡门的计算思路与结果体现了上述两种方法论的结合。
按照空气动力学，飞机在空气中获得的升力可以用下式计算得出：
L=ρV2SCL/2
式中：L是升力，ρ是空气密度，V是飞机相对于其周围空气的速度（真实空速），S是飞机的机翼面积，CL是升力系数。
如公式所示，升力的大小正比于空气密度。随着飞行高度增加，空气密度减小，若其他因素不变，则真实空速必须增加，以弥补空气密度降低的影响。
当飞行高度达到一定数值时，由维持飞行的力学关系将得出下式：
L=ρV02SCL/2=mg
公式中，V0是同等高度的圆轨道的轨道速度，m是飞行器的质量，g是重力加速度。
公式揭示，在这一高度，保证飞机能够飞行的速度将达到该高度的轨道速度。换言之，在此高度，因大气太过稀薄，飞行器自身的速度必须要比轨道速度高，才能够获得足够的升力以支撑自身重量。
卡门线就是这个支持飞机以全重气动飞行所需要最低速度等于轨道速度的高度。实际上，由于在飞机达到轨道速度时，地球的非典型球体特性增加了飞机的垂直于地心升力方向的分力，支持全重飞行所需要的速度并不一定能够维持飞机的飞行高度不变。
卡门线的定义忽略了这种效应，因为轨道速度的定义隐含了在轨道速度下，即使忽略空气密度，在任意给定高度也足以维持高度不变的特性。因此卡门线也是轨道速度提供足够气动升力，而使飞行器能够沿直线飞行而不必遵循地球表面曲率做类圆周运动的最高高度。
还没完！休息5秒钟，插播一则广告
还想了解更多飞机？
《航空知识》资深编辑倾力编译
《飞机全书》你值得拥有，点击图片即可购买
五、“大法”怎么说
目前，指导世界各国开展航空航天活动的“大法”有两部，一部是1944年12月7日在芝加哥签署、并于1947年4月4日生效的《国际民用航空公约》（简称《国际航空法》或《芝加哥公约》），另一部是《关于各国探索和利用包括月球和其他天体的外层空间活动所应遵守原则的条约》（简称《外空条约》），1966年12月19日联合国大会通过，1967年1月27日开放供签署，1967年10月10日生效，现有包括我国在内的100余个国家加入。
两份文件都没有对各自适用的高度范围做出明确规定。但在《国际航空法》中，引人注目地强调领空（territory airspace）主权是根本性原则；本国领土以上的空气空间为领空，拥有排他性。这里的领土指按国际法规定的国家主权管辖下的地球表面的陆地部分（领陆）、内陆水域和领海（领水）的总体。
20世纪50年代以前，世界默认“领空高度无限论”，即每个国家对其领空的主权权利为从地心出发、由领土外廓线向上延伸至苍穹。随着卡门线的确立，领空的高度则矮化和具象了，这是一个重要的变化。
1967年生效的《外空条约》是国际上第一部规定外空活动法律原则的条约，被称为“空间宪法”。共十条原则，主要包括：自由探索和利用原则——所有国家都可以不受歧视地、平等地、自由地进行外空活动；不得据为己有原则——各国不得由国家通过主权要求、使用或占领等方法，将包括月球与其他天体在内的外层空间据为己有；和平利用原则——各缔约国在外空的活动须遵守国际法和《联合国宪章》，保证把月球和其他天体绝对用于和平目的，以维护国际和平与安全。不得在绕地球轨道、天体或外层空间放置、部署核武器或其他种类的大规模杀伤性武器。禁止在天体上建立军事基地、设施、工事及试验任何类型的武器和进行军事演习。
这两部“大法”中的约定，对于我们认识航空航天领域的科技问题都有重要意义。鉴于国际航空法的规定，以及对于空气空间的认识和卡门线的空天界线划分，分界线以下的空间属于每一个国家，拥有主权；分界线以上为自由空间，是一个“国家不能主张和行使主权的空域”。由此带来的领空主权的这一重大政治影响，必须引起高度关注与重视，由此引发的政治影响决不可漠视。
而《外空条约》规定的那些原则虽然明智，但对于那些不遵守原则的国家，特别是强国，比如一个接一个国家建立自己的“天军”或“空天军”，实际上正在把太空变为新作战域。对于这些行为怎样才能按照条约的原则，形成真正的约束力，不能不引发我们的忧思。
六、守牢领空权
目前，我国国内在航空高度范围的认定上存在令人吃惊的混乱。一方面，认同以卡门线（100km）为航空与航天高度分界线，但同时在相当多的文献、著述、教材和公共媒体、资讯里，又经常出现随意压低航空高度范围的现象；甚至一些老师、业内人士也轻率地认同航空的高度范围为18km或20km（我这里就不一一引述了，只要向身边人发问，从得到的不同答案里即知这一现象的现实存在）。这既缺乏科学依据，又与技术实践相悖，无论出自何种用意，压低航空高度范围的认定，都是不适当并且有害的。
显而易见的逻辑是：既然空气空间涉及到一个国家的领空和主权，而目前，外层空间属“公共空间”；在两者界面划分上，虽尚无权威的法律定义，但充斥着国家利益博弈，因而对此必须十分审慎。在这个意义上，对航空高度的随意压低，后果很严重，对此必须有清醒的认识；对航空高度范围的矮化，有可能导致对领空的部分放弃，这绝非危言耸听！
本文转载自公众号：聚恩君
注：本文系网络转载，版权归原作者所有。仅此标明转载来源，如涉及作品版权问题，请与我们联系，我们将在第一时间协商或删除内容！
风上风云｜云端故事